(57)【要約】【課題】制御回路を用いずに風車の概略の最大出力を得る風力発電装置の過回転防止装置においては、機械的なブレーキ装置におけるブレーキパッドの損耗等によるメンテナンスが必要であり、かつブレーキ動作時に発電量が減少するという問題点がある。【解決手段】風車により駆動される永久磁石型発電機から、風速に関わらず制御回路を用いずに最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の交流出力端子にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該コンデンサに並列にトランスを接続し、該トランスの出力にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器と該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置。【選択図】  図１
2013046450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の交流出力端子にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該コンデンサに並列にトランスを接続し、該トランスの出力にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器と該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、前記風車または水車の定格回転数以上において該ブレーキスイッチをＯＮにし、前記風車または水車の定格回転数付近において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となることを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置。
【請求項２】
風車または水車により駆動され異なる誘起電圧を発生する永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する交流出力端子にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、高い誘起電圧を発生する交流出力端子にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器と該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、前記風車または水車の定格回転数以上において該ブレーキスイッチをＯＮにし、前記風車または水車の定格回転数付近において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となることを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車により駆動される発電機から電気エネルギーを取り出す風力発電装置の過回転防止装置に関わり、特に永久磁石型発電機から電力を取り出す回路と並列にスイッチ、抵抗、およびコンデンサの直列回路で構成されるブレーキ装置を接続したことを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来例の分散電源用発電装置の過回転防止装置においては、風車回転数Ｎが設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ装置を作動させて過回転を防止している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる先願技術を、図９の従来の分散電源用発電装置の過回転防止装置を説明する図を参照して詳述する。
図９において、２１は風車、１は永久磁石型発電機、３６は整流器、２２はバッテリ、３７は逆流防止ダイオード、３５はブレーキ制御手段、３１は渦電流ブレーキ、３２は円盤状ロータ、３３は磁性体、３４は励磁コイルである。
【０００４】
このブレーキ制御手段３５は、強風下において風車２１の回転数が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ３１の励磁コイル３４へ直流電力を供給する。その結果、直流電磁石が形成されて、円盤状ロータ３２に渦電流が流れ、円盤状ロータ３２に直結される風車２１が制動されて、その回転数が抑制される。
【０００５】
第２の従来例として、本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する複数の巻線の交流出力端子に各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、これらの整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する風力発電装置について提案している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
図７は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。風車は、風車の形状及び風速Ｖが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まる。例えば、風速Ｖｘ及びＶｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図７のように示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図７に示す風車最大出力曲線Ｐｔのような風車回転数Ｎに対して３乗特性となる。
【０００７】
すなわち、図７の風車最大出力曲線の見方を変えると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが定まると、その時の永久磁石型発電機１の入力Ｐを一義的に、風車最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めれば良いことを表している。
【０００８】
このような風力発電装置である第２の従来例を図８に示す。風車２１により駆動される永久磁石型発電機１は、風車回転数Ｎの上昇により図８に示すＷ２巻線から図６に示す直流出力Ｐ２が流れ始め、さらに回転数が上昇すると図８に示すＷ１巻線から図６に示す直流出力Ｐ１が流れる。風力発電装置１０は、直流出力Ｐ１とＰ２を合計した点線で示す近似出力曲線Ｐｓが如き出力をバッテリ２２に出力し、風車２１より概略の風車最大出力を制御回路を用いずに取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−１０４９７５号（図１）
【特許文献２】特開２００４−６４９２８号（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする問題点は、上記のような渦電流ブレーキ３１を作動させるブレーキ制御手段３５を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、風車回転数Ｎを検出する手段、および励磁コイル３４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという点である。
さらに、頻繁にブレーキをかけると円盤状ロータ３２が発熱するために、ブレーキのＯＮ/ＯＦＦを多数回できない。また、ブレーキをかけて停止している間は出力が得られないという問題がある。
【００１１】
第２の従来例においては、ＰＷＭコンバータを用いずに風車２１より概略の風車最大出力を取り出すことができるが、風車２１が過回転になったときには機械的なブレーキを用いることしか方法が無いという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の発明によれば、風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の交流出力端子にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該コンデンサに並列にトランスを接続し、該トランスの出力にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器と該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、前記風車または水車の定格回転数以上において該ブレーキスイッチをＯＮにし、前記風車または水車の定格回転数付近において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となることを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置。
【００１３】
請求項２の発明によれば、風車または水車により駆動され異なる誘起電圧を発生する永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する交流出力端子にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、高い誘起電圧を発生する交流出力端子にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器と該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、前記風車または水車の定格回転数以上において該ブレーキスイッチをＯＮにし、前記風車または水車の定格回転数付近において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となることを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車により駆動される永久磁石型発電機１の交流出力端子に接続されるバッテリ２２への直流出力回路と並列に、ブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、風車の過回転を検出して前記スイッチを投入することを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置である。
【００１５】
そのため、本発明においては以下に説明する原理を応用する。
図５は本発明に係る風車の周速比λに対する出力係数Ｃpおよびトルク係数Ｃtを説明するための説明図である。通常、トルク係数Ｃtは出力係数Ｃpを周速比λで除したもので表されるが、説明の便宜上、周速比λに対する出力係数Ｃpおよびトルク係数Ｃtの最大値を同一の縦軸の大きさで表す。図５において、出力係数Ｃpが最大となる周速比はλxであり、最大出力点Ｓxで最大出力係数Ｃpmaxとなり、トルク係数Ｃtが最大となる周速比はλyであり、最大トルク点Ｔyで最大トルク係数Ｃtmaxとなる。
【００１６】
図３に示す風車および永久磁石型発電機のトルク特性の概要を、図５を参照しつつ説明する。最大出力時トルク曲線Ｔtは、出力＝トルク×回転角速度を利用して、ある風車の種々の風速における図５の最大出力点Ｓxを風車回転数Ｎに対する風車軸トルクで表したものである。風車最大トルク曲線Ｔvは、ある風車２１の種々の風速における図５の最大トルク点Ｔyを風車回転数Ｎに対する風車軸トルクで表したものである。すなわち、すべての風速において風車軸トルクは、最大トルク曲線Ｔvよりも右下の部分にある。
ブレーキ付加時トルク曲線Ｔsは、本願により実現できる分散電源用発電装置の過回転防止装置を有する永久磁石型発電機１の負荷トルクを表したものである。
これらのトルク曲線は、風車回転数に対して一義的に定まるものである。
【００１７】
図３のブレーキ付加時トルク曲線Ｔsについて説明する。風車２１は風車回転数Ｎｒまでは、ほぼ風車の最大出力時トルク曲線Ｔtに沿って運転される。ブレーキスイッチがＯＮになるとブレーキ印加時トルク曲線Ｔs上で運転される。ブレーキが印加されると最大トルク曲線Ｔvよりも大きな負荷トルクが印加されて風車は減速する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の風力発電装置の過回転防止装置は、風車により駆動される永久磁石型発電機１の電気角周波数の増加にともなって、前記コンデンサのリアクタンスが減少することを利用するものである。ブレーキスイッチが入った状態において、先ず高速ではブレーキコンデンサのリアクタンスが小さいために、ブレーキ抵抗には大きな電流が流れて大きな電力損失が発生するとともに、直流出力回路への電気出力と合わせて、永久磁石型発電機１には大きなブレーキトルクがかかる。次に低速ではブレーキコンデンサのリアクタンスが大きいためにブレーキ抵抗への電流は小さく、したがって直流出力回路に印加される電圧が相対的に大きくなる。このように、ブレーキスイッチが入った状態ではブレーキが掛かるとともに、バッテリ２２への出力が可能となるので、効率が悪いながらも出力が得られる特徴がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る風力発電装置の過回転防止装置を説明するための主回路単線結線図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る風力発電装置の過回転防止装置を説明するための主回路単線結線図である。
【図３】本発明の第１、第２の実施例に係る風車回転数対風車最大出力時トルクおよびブレーキ印加時の永久磁石型発電機トルクの概要を示す説明図である。
【図４】本発明の第１、第２の実施例に係る風車回転数対風車最大出力特性およびブレーキ印加時の風力発電装置の出力特性の概要を示す説明図である。
【図５】本発明の第１、第２の実施例に係る風車の周速比に対する出力特性およびトルク特性を説明するための説明図である。
【図６】第２の先願および本発明の第１、第２の実施例に係る風車回転数対風車最大出力および風力発電装置の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図７】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図８】第２の従来例の風力発電装置の出力回路の主回路単線結線図である。
【図９】第１の従来例の風力発電装置の過回転防止装置の主回路単線結線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止装置において、永久磁石型発電機の交流出力にコンデンサを経て第１の整流器を接続し、このコンデンサに並列にトランスを接続し、このトランスの出力にリアクトルを経て第２の整流器を接続し、この第１の整流器と第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記コンデンサに並列にブレーキスイッチ、ブレーキ抵抗およびブレーキコンデンサの直列回路を接続し、前記ブレーキスイッチ動作後は前記風車または水車の定格回転数以上において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となることを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止装置である。
【実施例１】
【００２１】
図1は、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。
同図において、４はブレーキスイッチ、５はブレーキ抵抗、６はブレーキコンデンサ、１１はコンデンサ、１２はトランスであり、図８と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００２２】
永久磁石型発電機１の交流出力に直列にコンデンサ１１を経て第１の整流器が接続され、バッテリ２２に直流出力を供給する。
トランス１２は、永久磁石型発電機１の交流出力にコンデンサ１１に並列に接続され、その反永久磁石型発電機１側はリアクトルを経て第２の整流器に接続され、第１と第２の整流器の合計出力がバッテリ２２に出力される。
【００２３】
ブレーキスイッチ４は、永久磁石型発電機１の交流出力にコンデンサ１１に並列に接続される。ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６は直列に接続されて、ブレーキスイッチ４の出力側に接続される。
【００２４】
ブレーキスイッチ４がＯＮするまでは、図６に示す近似出力曲線Ｐsが如き出力がバッテリ２２に出力される。風車回転数Ｎが定格回転数Ｎｒ以上になり、図示しない制御回路によりブレーキスイッチ４がＯＮされると、永久磁石型発電機１の交流出力は、ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６の直列回路にも流れる。
【００２５】
以下に、ブレーキスイッチ４がＯＮした場合について、図３の風車回転数対風車最大出力時トルク曲線Ｔｔおよびブレーキ印加時の永久磁石型発電機トルクの概要を示す説明図、および図４の風車回転数対風車最大出力特性およびブレーキ印加時の分散電源用発電装置の出力特性の概要を示す説明図を用いて詳しく説明する。
【００２６】
図３において、風車回転数Ｎが定格回転数Ｎｒでは、風車最大出力時トルクＴｔ上の運転点Ｒで運転されている。風車回転数Ｎが定格回転数Ｎｒ以上になり、ブレーキスイッチ４をＯＮすると、永久磁石型発電機１からブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６の直列回路にも電流が流れる。この電流は、ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６に流れる電流なので進相電流となり、永久磁石型発電機１にとっては鎖交磁束数が増加して電圧を上昇させる作用がある。
【００２７】
また、ブレーキスイッチ４による永久磁石型発電機１の完全短絡ではないので、ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６の直列回路のインピーダンス降下により、永久磁石型発電機１の出力端子Ｔにはバッテリ２２に出力できるだけの電位が存在する。
【００２８】
したがって、永久磁石型発電機１は、ブレーキ抵抗５での消費出力と、第１および第２の整流器７および８のバッテリ２２への合計出力が永久磁石型発電機１より出力される。この結果、ブレーキスイッチ４がＯＮされた瞬間は、永久磁石型発電機１のトルクは図３のブレーキ印加時トルク曲線Ｔｓ上の運転点ＢのトルクＴｂになる。
【００２９】
ここで、運転点ＢのトルクＴｂが図３における風車最大トルク曲線Ｔｖよりも大きくなるように、永久磁石型発電機１、ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６を設計すれば、風車２１を減速させることができる。
【００３０】
風車２１が減速して、ブレーキ印加時トルク曲線Ｔｓが風車最大トルク曲線Ｔｖとクロスする運転点Ｃの風車回転数Ｎｃ付近になると、風車２１は大きな風が吹いても加速せずに、風車回転数Ｎｃ付近に留まる。
【００３１】
この状態で風速Ｖが低くなると、風車回転数Ｎの減少とともに、永久磁石型発電機１に印加される負荷トルクはブレーキ印加時トルク曲線Ｔｓ上を減少し、図示しない各風速のトルク曲線との交点上で運転される。
【００３２】
図４は、ブレーキ印加時の分散電源用発電装置の出力特性を説明する図である。ブレーキ抵抗５で消費される電力があるために、分散電源用発電装置の出力と合わせて、永久磁石型発電機１に印加される負荷トルクは大きな値となるが、分散電源用発電装置の出力は風車最大出力を得ている時よりは多少とも小さな値となる。しかしながら、風速Ｖが弱まるのを待ってブレーキをＯＮからＯＦＦする間も、風車回転数Ｎを抑制しながら、多少とも分散電源用発電装置出力が連続的に得られる。
【００３３】
以上、本発明の第１の実施例では、分散電源用発電装置出力の開始風車回転数を早めるためにトランス１２を用いたが、コンデンサとダイオードで構成される昇圧回路を用いても同様に分散電源用発電装置の過回転防止装置を構成できる。また、図１の実施例では第１の整流器７の入力側にコンデンサを接続し、第２の整流器８の入力側にリアクトルを接続したが、各リアクタンスの定数を適切に選ぶことにより、第１の整流器７の入力側にリアクトルを接続し、第２の整流器８の入力側にコンデンサを接続することにより同様に分散電源用発電装置の過回転防止装置を構成できる。
【実施例２】
【００３４】
図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２は、特許文献２に記載されている、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有する永久磁石型発電機１に適用したものである。
同図において、図１および図８と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図２について説明する。
【００３５】
巻数の少ない巻線Ｗ１の交流出力端子Ｔ１には、コンデンサ１１を経て第１の整流器７が接続される。巻数の多い巻線Ｗ２の交流出力端子Ｔ２には、リアクトル３を経て第２の整流器８が接続される。第１と第２の整流器の合計出力がバッテリ２２に出力される。
【００３６】
ブレーキスイッチ４は、永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔ１にコンデンサ１１に並列に接続される。ブレーキ抵抗５およびブレーキコンデンサ６は直列に接続されて、ブレーキスイッチ４の出力側に接続される。
【００３７】
このように構成される分散電源用発電装置の過回転防止装置においては、ブレーキスイッチ４をＯＮにすることにより、同様にブレーキ印加時トルク曲線Ｔｓが得られ、分散電源用発電装置の出力を得るとともに過回転を防止することができる。
【００３８】
本発明の第２の実施例では、巻数の少ない巻線Ｗ１の交流出力端子Ｔ１にブレーキスイッチ４等を接続したが、巻数の多い巻線Ｗ２の交流出力端子Ｔ２にブレーキスイッチ４等を接続しても、同様に分散電源用発電装置の過回転防止装置を構成できる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の分散電源用発電装置の過回転防止装置によれば、機械的なブレーキ装置によるブレーキパッドの損耗等によるメンテナンスが必要なく、風車の過回転を防止するとともに、過回転防止時にも発電装置から出力が得られるので非常に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１              永久磁石型発電機
３              リアクトル
４              ブレーキスイッチ
５              ブレーキ抵抗
６              ブレーキコンデンサ
７              第１の整流器
８              第２の整流器
１０            発電装置
１１            コンデンサ
１２            トランス
１３            正側出力端子
１４            負側出力端子
２１            風車
２２            バッテリ
３１            渦電流ブレーキ
３２            円盤状ロータ
３３            磁性体
３４            励磁コイル
３５            ブレーキ制御手段
３６            整流器
３７            逆流防止ダイオード
３８            負荷
【図１】
2013046450.tif 000003
【図２】
2013046450.tif 000004
【図３】
2013046450.tif 000005
【図４】
2013046450.tif 000006
【図５】
2013046450.tif 000007
【図６】
2013046450.tif 000008
【図７】
2013046450.tif 000009
【図８】
2013046450.tif 000010
【図９】
2013046450.tif 000011